Oncolytic Adenoviruses with Radiation Therapy for Treatment of Prostate Cancer

Prostate cancer is the most common cancer in males. Although many patients with localized disease can be cured with surgery and radiotherapy, advanced disease and especially castration resistant metastatic disease remains incurable, with a median life expectancy of less than 18 months. Oncolytic adenoviruses (Ads) are a new promising treatment against cancer due to their innate capacity to kill cancer cells. Viral replication in tumor cells leads to oncolysis and production of a multiplicity of new virions that are capable of further destroying cancerous tissue. Oncolytic Ads can be modified for tumor targeted infection and replication and be armed with therapeutic transgenes to maximize the oncolytic effect. Worldwide, clinical trials with oncolytic Ads have demonstrated good safety while the antitumor efficacy remains to be improved. Importantly, the best responses have been reported when oncolytic adenoviruses have been combined with standard cancer treatments, such as chemotherapy and radiation. Further, a challenge in many virotherapy approaches has been the monitoring of virus replication in vivo. Reporter genes have been extensively used as transgenes to evaluate the biodistribution of the virus and activity of specific promoters. However, these techniques are often limited to preclinical evaluation and not amenable to human use. The aim of the thesis was to find and develop new oncolytic Ads with maximum efficacy against metastatic, castration resistant prostate cancer and study them in vitro and in vivo combined to different forms of radiation therapy. Using combination therapy, we were aiming for better antitumor efficacy with reduced side effects. Capsid modified Ads for enhanced transduction were studied. Serotype 3 targeted chimera, Ad5/3, was found to have enhanced infectivity for prostate cancer and was used for developing new viruses for the study. Correlation between Ad-encoded marker peptide secretion and simultaneous viral replication was evaluated and the effects of radiotherapy on viral replication were studied in detail. We found that the repair of double strand breaks caused by ionizing radiation was inhibited by adenoviral proteins and led to autophagic cell death. Both subcutaneous models and intrapulmonary tumor models mimicking metastatic, aggressive disease were used in vivo. Virus efficacy was evaluated by intratumoral injections. Also, intravenous administration was evaluated to study the effectiveness in metastatic disease. Oncolytic adenovirus treatment led to significant tumor growth control and increased the survival rate of the mice. These results were further improved when oncolytic Ads were combined with radiation therapy. Oncolytic Ads expressing human sodium/iodide transporter (hNIS) as a transgene were evaluated for their oncolytic potency and for the functionality of hNIS in vitro and in vivo. Monitoring of viral replication was also assessed using different imaging modalities relative to clinical use. SPECT imaging of tumor-bearing mice was evaluated and combined with simultaneous CT-scanning to obtain important anatomical information on biodistribution, also in a three-dimensional form. It was shown that hNIS-expressing adenoviruses could harbour a bi-functional transgene allowing for localization and imaging of viral replication. Targeted radiotherapy was applied by systemic radioiodide administration and resulted in iodide accumulation into Ad-infected tumor. The combination treatment showed significantly enhanced antitumor efficacy in mice bearing prostate cancer tumors. In summary, the results presented above aim to provide new treatment modalities for castration resistant prostate cancer. Molecular insights were provided for better understanding of the benefits of combined radiation therapy and oncolytic adenoviruses, which will hopefully facilitate the translation of the approach into clinical use for humans.

Eturauhassyöpä on miesten yleisin syöpä Länsimaissa. Paikallista eturauhassyöpää voidaan hoitaa ja parantaa monin eri menetelmin, mutta paikallisessa vaiheessa todetuista eturauhassyövistä osa uusiutuu tai todetaan etäpesäkkeitä lähettäneessä vaiheessa. Tällöin hoitona on testosteronin vaikutuksia estävä hormonaalinen hoito, mutta merkittävä osa hormonihoidetuista syövistä muuttuu kastraatioresistenteiksi. Tällä hetkellä käytössä olevien hoitomuotojen teho kastraatioresistentissä eturauhassyövässä on rajallinen ja parhaimmillaan vain hieman elossaoloaikaa pidentävä. Onkolyyttiset adenovirukset ovat perimältään muokattuja adenoviruksia, joita voidaan käyttää syövän hoidossa. Niiden syöpäsoluja tappava vaikutus perustuu niiden lisääntymiskiertoon syöpäsolussa, jonka päätteeksi ne rikkovat solun vapautuakseen ympäristöön ja infektoidakseen uusia syöpäsoluja. Muokkaamalla adenovirusten kuorta ja perimää voidaan ne kohdentaa syöpäsoluihin normaalikudosten kärsimättä. Väitöskirjan osatöissä tutkittiin onkolyyttisiä adenoviruksia yhdistettynä sädehoitoon kastraatioresistentin eturauhassyövän hoidossa. Tutkimuksissa selvisi, että muokkaamalla viruksen kuorta pystyttiin huomattavasti parantamaan niiden pääsyä syöpäsoluihin. Poistamalla viruksen jakaantumiselle ehdottoman tärkeistä geeneistä alueita, jotka ovat edellytys jakaantumiselle normaalisoluissa, voitiin viruksen lisääntyminen ohjata syöpäsoluihin. Mittaamalla viruksen tuottamaa proteiinia, osoitettiin että onkolyyttinen adenovirus kykeni lisääntymään syövän humaanikudosnäytteissä, muttei normaalissa eturauhaskudoksessa. Tutkimuksessa selvitettiin myös ajoituksen merkitystä sädehoidon ja viruksen annostelussa. Paras, synergistinen vaikutus saatiin esiin, kun virushoito annettiin 24 tuntia sädehoidon jälkeen. Väitöskirjatyössä selvisi, että viruksen proteiinit estävät sädehoidon aiheuttamien DNA-vaurioiden korjaamista johtaen solukuolemaan autofagia-mekanismilla. Eläinmalleissa virushoidot merkittävästi hidastivat syövän kasvua ja pidensivät elossaoloaikaa. Sädehoidon käyttö levinneessä eturauhassyövässä ei ole mahdollista, koska sädehoitoa jouduttaisiin antamaan hyvin laajoille alueille. Väitöskirjatutkimuksessa kehitettiin uusi onkolyyttinen adenovirus, joka tuottaa radioaktiivisen jodin kuljetinproteiinia. Proteiinin avulla saatiin radiojodihoito kohdennettua eturauhassyöpäkudokseen solu- ja eläinmalleissa. Radiojodin avulla pystyttiin sekä kuvantamaan adenovirusta että yhdistämään terapeuttinen radiojodihoito adenoviruksen tehoon paikallisesti. Väitöskirjan viimeisessä osatyössä kehitettiin onkolyyttinen adenovirus, jonka lisääntymiselle tärkeiden perimän osien luentaa säädellään tehostejaksoilla, jotka toimivat ja siten mahdollistavat lisääntymisen vain syöpäsoluissa. Tällä mekanismilla viruksen syöpäspesifisyyttä pystyttiin edelleen parantamaan. Lisäksi virus muokattiin tuottamaan jodin kuljetinproteiinia säde- ja virushoidon yhdistämiseksi. Eläinmalleissa kyettiin ensimmäistä kertaa käyttämään systeemisesti annosteltuja onkolyyttisiä adenoviruksia yhdistettynä terapeuttiseen radiojodiin paikallisen annostelun sijaan. Koe-eläinten elossaolo pidentyi merkittävästi yhdistelmähoitoa käytettäessä. Radiojodilla kyettiin myös paikallistamaan virukset SPECT-kuvauksilla.